一种基于后扩张囊袋的地下结构沉降变形病害修复工艺

1.本发明属于地下结构病害防控技术领域，具体涉及一种基于后扩张囊袋的地下结构沉降变形病害修复工艺。

背景技术：

2.这里的陈述仅提供与本发明相关的背景技术，而不必然地构成现有技术。
3.随着人口增长及地上空间日渐拥堵，地铁车站、地下隧道、地下综合管廊等常见地下工程目前成为城市发展的重要方向。由于地下工程埋藏于地下属于半隐蔽工程，受地层条件、地下水位涨幅变化及临近开挖扰动影响易产生沉降变形等问题。造成地下结构沉降变形病害的原因及部位主要有以下几个方面：（1）在一些狭长地下结构中，为了缓解结构裂缝及沉降病害问题，一般在地下结构设计中，每隔一定的距离就会设置变形缝（变形缝是伸缩缝、沉降缝和防震缝的三者的总称）。由于变形缝本身容许一定的沉降位移，当变形缝两侧沉降变形超限时，就会导致变形缝处出现渗漏水问题，甚至引发结构开裂，影响整体结构工程安全稳定性；（2）由于地下结构本身受到差异荷载影响，如断面改变处结构自重发生变化，或是上部荷载发生变化等位置也易发生差异沉降变形的病害；（3）当地下结构处于下卧土层为软弱土层或地层变化处，如淤泥质土与碎岩交界处时，由于两侧地基承载力条件不同，在覆土重量及结构自身的作用下，在土层较为软弱的一侧沉降幅度偏大极易发生沉降变形；（4）在一些软土地层中，会采用一些地基加固的方式进行处理，部分施工工程中采用微型桩加固地基时，受施工质量等影响，出现部分桩未打入持力层中或出现桩偏移现象，也易导致结构两侧沉降变形不一致。
4.上述各种沉降病害问题，严重影响地下结构安全使用功能及耐久性，也是困扰地下结构健康运维的重要问题之一。目前治理地下结构沉降变形的方式尚不成熟，有效手段较少，常通过对地层进行注浆以对地下结构进行顶升方式进行治理。这些手段是沉降病害发生后较有效的加固方式，由于地下结构埋藏地下，钻孔注浆时一方面可沿地表向结构底部进行施作，另一方面也可通过结构内部主体向周围地层进行注浆。
5.发明人发现，采用常规地下结构沉降变形病害修复工艺，如注浆顶升方式，尚存在以下问题亟待解决：（1）常规治理地下结构沉降变形的手段均为在沉降病害产生后进行治理的，存在一定的滞后性，目前尚缺乏有效的预处理措施；（2）传统方式（比如注浆加固）在处理地下结构沉降变形问题时，往往基于经验进行设计，修复治理工艺缺乏理论设计依据；（3）采用传统注浆方式进行治理时，注浆受地层差异性影响较大，在一些较密实性地层，浆液难以扩散至全部有效区域，难以对病害部位地下结构进行有效治理；在一些松散性地层上，注浆浆液可得到有效扩散，但对于地下结构顶升治理的有效注浆区域难以精准
掌控；受地层条件差异的影响，如何确定合理的注浆压力成为治理时的难点之一；（4）常规方式从地下结构内部向周围地层土体进行注浆时，需沿地下结构主体施打注浆孔，这会损害结构主体及外部防水层，易产生渗漏水问题，影响整体的安全稳定性与使用功能，且该工艺比较困难且费时费力。

技术实现要素：

6.针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种基于后扩张囊袋的地下结构沉降变形病害修复工艺，通过预处理方式有效解决地下结构沉降病害治理问题，同时根据对特定压力状态下膨胀性材料体积定量分析方法，实现定量控制地下结构沉降变形位移，指导地下结构沉降病害的科学修复治理，与现有地下结构出现沉降后进行处理不同，该工艺是在施工阶段进行提前设置的，可实现地下结构沉降病害从施工到运维全过程的科学防控。
7.为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：本发明提供了一种基于后扩张囊袋的地下结构沉降变形病害修复工艺，包括以下步骤：待地下结构基坑开挖完毕后，在预测沉降变形病害部位的基坑坑底铺设内部含有材料a的后扩张囊袋，并铺设充注管路与后扩张囊袋连通；在后扩张囊袋上方进行地下结构主体施作及周边土体回填工作；待土体回填施作完毕后，对预测沉降变形病害部位进行沉降变形监测，获取沉降变形值，将沉降变形值与设定沉降值进行对比，评判是否需进行修复治理；需进行修复治理时，定量确定所需充注材料b的用量；利用充注管路对后扩张囊袋定量充注材料b，充注过程中材料a和材料b混合后发生膨胀，使需修复治理部位地下结构主体向上产生顶升位移，实现地下结构沉降变形病害的定量修复治理。
8.作为进一步的技术方案，所述后扩张囊袋具有隔水性，以避免后扩张囊袋内材料a与周围地下水产生接触反应。
9.作为进一步的技术方案，充注材料b的用量的确定方法为：根据地下结构产生的沉降变形值、地下结构自重及地下结构埋深，由室内加载试验定量确定后扩张囊袋后充注材料b的充注用量函数表达式，而后确定材料b的实际充注用量。
10.作为进一步的技术方案，充注材料b的充注用量函数表达式的确定方法为：将含有材料a的后扩张囊袋置于室内压力试验机中，使后扩张囊袋在四周位移约束条件下由顶部进行加载；在相应某一加载压力pi保持恒定状态下，向后扩张囊袋内定量充注材料b，并监测与加载压力pi、材料b充注用量wj对应的后扩张囊袋顶升位移量uj，i、j为起值为1的连续正整数；得到与某一加载压力状态对应的材料b充注用量wj与顶升位移uj之间拟合函数表达式及对应函数变化速率k
pi
：；根据多个加载压力状态对应的函数变化速率值，利用数学函数拟合得到加载压力
pi与函数变化速率k
pi
之间的拟合函数表达式：；建立某一加载压力状态所需充注材料b用量wj函数表达式：。
11.作为进一步的技术方案，根据需修复治理部位地下结构埋深、自重与上覆土层重量，确定现场后扩张囊袋上部总覆重压力，并结合需修复治理部位沉降变形值，将其代入充注材料b用量函数表达式中，计算即可确定所需材料b的实际充注用量为：。
12.作为进一步的技术方案，加载时，通过设置系列加载压力pi，并保证在恒加载压力状态下，向后扩张囊袋内定量充注材料b；在充注过程中，监测后扩张囊袋顶升位移变化，并待位移稳定后，记录与加载压力pi、材料b充注用量wj对应得顶升位移量uj。
13.作为进一步的技术方案，材料b充注用量wj与顶升位移uj之间拟合函数表达式的得出过程为：绘制得到不同加载压力pi状态下的材料b充注用量wj与顶升位移uj的数据散点图；根据最小二乘法原理，利用线性函数对数据散点图进行拟合，得到与某一加载压力状态对应的材料b充注用量wj与顶升位移uj之间拟合函数表达式及对应函数变化速率k
pi
：。
14.上述本发明的有益效果如下：本发明的地下结构沉降变形病害修复工艺，通过施工阶段在地下结构隐患沉降部位设置后扩张囊袋（施作于沉降变形病害产生前），同时结合后期监测数据进行科学评判，属于提前主动预处理防控措施。与常规的沉降变形病害产生后被动治理方式相比，本发明工艺可在沉降病害产生之初即可对其及时预警修复，并将其不利影响提前杜绝，有效实现地下结构运维全寿命周期的科学防控。
15.本发明的地下结构沉降变形病害修复工艺，考虑地下结构自重、埋深等因素的影响，给出了后扩张囊袋顶升位移及后充注材料用量的理论计算公式及设计依据，形成了与沉降变形病害程度相对应的后充注材料用量定量化设计方法，实现了地下结构沉降变形病害的定量化修复治理。
16.本发明通过利用提前预埋后扩张囊袋及配套后充注方法，给出了一种预置性修复地下结构沉降变形病害的治理工艺，该工艺在不影响整体结构安全性的情况下即可有效实现顶升修复治理，可弥补传统注浆加固工艺中存在的注浆参数经验设计、浆液扩散具有随机性、注浆压力难以保障等不足，为实现地下结构沉降病害治理提供理论和技术支撑。
附图说明
17.构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
18.图1为本发明地下结构沉降变形病害修复工艺的流程图；图2为本发明基坑开挖后扩张囊袋布置剖面示意图；图3为本发明地下结构主体施作完毕示意图；图4为本发明地下结构主体周边土体回填施作完毕后示意图；图5为本发明地下结构产生沉降变形病害后示意图；图6为本发明地下结构沉降变形病害治理后示意图；图7为本发明地下结构底部后扩张囊袋布置平面图；图8为本发明后扩张囊袋室内加载试验示意图；图9为本发明后扩张囊袋顶升位移与充注量之间拟合函数示意图；图10为图9中函数变化速率与加载压力之间拟合函数示意图。
19.图中：为显示各部位位置而夸大了互相间间距或尺寸，示意图仅作示意使用；其中：1-后扩张囊袋；2-支护结构；3-充注管路；4-地下结构；5-回填土；6-变形缝；7-压力试验机；8-充注口；9-材料a；10-加载板；11-约束结构。
具体实施方式
20.应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
21.本发明的一种典型的实施方式中，如图1所示，提出一种基于后扩张囊袋的地下结构沉降变形病害修复工艺，其包括以下步骤：步骤1：待地下结构基坑开挖完毕后，在预测沉降变形病害部位的基坑坑底铺设内部含有材料a 9的条形后扩张囊袋1，应注意后扩张囊袋1具有隔水性，具有防水功能以避免材料a 9与地下水发生反应，并做好与后扩张囊袋1相关的充注管路3的铺设工作，如图2、图7所示；步骤2：在后扩张囊袋1上方按照设计要求完成地下结构4主体施作（见图3）及周边土体回填工作（见图4），在此步骤中注意施工过程中避免后扩张囊袋1损坏；步骤3：待土体回填施作完毕后，对预测沉降变形病害部位进行沉降变形监测，获取沉降变形值，将沉降变形值与设定沉降值进行对比，评判是否需进行修复治理；步骤4：当预测沉降变形病害部位沉降变形值超出设定沉降值，即需进行修复治理时，结合需修复治理部位地下结构4埋深、自重与上覆土层重量等参数，定量确定所需充注材料b的实际充注用量；步骤5：在步骤4基础上，利用步骤1中已铺设的充注管路3在充注口8位置对后扩张囊袋1定量充注材料b，充注过程中材料a 9和材料b混合后发生膨胀，促使需修复治理部位地下结构4主体向上产生顶升位移，进而实现需修复治理部位地下结构4沉降变形病害的定量修复治理，如图6所示。
22.其中，预测沉降变形病害部位包括：地下结构4的断面尺寸改变处、上部荷载发生变化处、下卧地层条件发生变化处、受邻近施工扰动部位等位置，或是地下结构4的变形缝6、施工缝等接缝部位。本实施例中，以地下结构4的变形缝6为例进行说明。
23.本实施例中，步骤1中，在地下结构4的变形缝6两侧铺设三条内部含有材料a 9的
条形后扩张囊袋1。步骤3中，对变形缝6位置进行沉降变形监测。
24.本实施例中，步骤1中，地下结构基坑开挖完毕后，在基坑内侧壁设置支护结构2，支护结构2竖向设置，后扩张囊袋1在基坑两侧壁支护结构2之间坑底位置铺设。
25.后扩张囊袋1与充注管路3连通，充注管路3的充注口8延伸布设至地表。
26.步骤2中，地下结构4施作于后扩张囊袋1顶部，地下结构4施作完毕后，在地下结构4顶部施作土体回填至与地表平齐，地下结构4顶部形成回填土5。
27.步骤3中，由预测沉降变形病害部位沉降变形值和设定沉降值的对比，可确定是否需要进行修复治理，同时也可确定需修复治理部位。如本实施例中，在变形缝6两侧出现沉降变形位移并需修复治理时（见图5），需对其进行修复治理。
28.步骤4中，先由室内加载试验进行定量确定材料b的充注用量函数表达式，而后确定材料b的实际充注用量。
29.本实施例中，后扩张囊袋1内部材料a 9可为膨胀土、聚氨酯等材料，材料b为水或其他可与材料a 9混合后发生体积膨胀等材料。当然，材料a 9、材料b也可为其他混合后发生体积膨胀的材料，在此不做过多限定。
30.假设埋置于地下结构4底部的后扩张囊袋1中材料a 9为膨胀土、材料b为水，其中膨胀土的用量确定为一定值，水的充注用量函数表达式由压力试验机7确定，具体方法如下：步骤a：将含有材料a 9的后扩张囊袋1置于室内压力试验机7中，后扩张囊袋1上方为加载板10，四周为约束结构11，保证后扩张囊袋1在四周位移约束条件下由顶部进行加载，压力试验机7对加载板10施加压力进行加载，以模拟现场后扩张囊袋1在地下结构4底部的实际状态，如图8所示；步骤b：通过设置系列加载压力pi(i=1,2,3
……
5)，该步骤中设置加载压力范围为100-500 kpa，并保证在恒加载压力状态下，由充注管路3的充注口8向后扩张囊袋1内定量充注水；步骤c：在充注过程中，监测后扩张囊袋1顶升位移变化，并待位移稳定后，记录与加载压力pi、水充注量wj(j=1,2,3
……
10)对应得顶升位移量uj(j=1,2,3
……
10)，该步骤中设置水充注量范围为1-10 l，每充注2 l并待位移稳定后，记录当前顶升位移值，具体数据见表1；表1 不同压力下材料a顶升位移变化
步骤d：根据充注过程试验监测数据，绘制得到不同加载压力pi状态下的水充注量wj与顶升位移uj的数据散点图，根据最小二乘法原理，利用线性函数对数据散点图进行拟合，如图9所示；图9中给出了100-500 kpa下不同充注量的顶升位移值，得到了与某一加载压力状态对应的水充注量wj与顶升位移uj之间拟合函数表达式及对应函数变化速率k
pi
，具体可表示为：；步骤e：根据步骤d中多个加载压力及其对应的函数变化速率，利用数学函数拟合得到加载压力pi与函数变化速率k
pi
之间的拟合函数表达式，函数曲线图如图10所示；图10给出了100-500 kpa下k
pi
数值变化，随着压力越大，k
pi
下降趋势越缓慢，具体表达式如下：；步骤f：根据步骤d与步骤e，建立某一加载压力状态所需水的充注用量wj函数表达式，具体为：；步骤g：根据需修复治理部位地下结构4埋深、自重与上覆土层重量等参数，确定现
场后扩张囊袋1上部总覆重压力；并结合需修复治理部位沉降变形值；将其代入步骤f中充注水用量函数表达式中，计算即可确定所需水的实际充注用量为，具体为：。
31.其中，p0为结构主体自重与上覆土体自重及地表压力之和。地下结构4埋深、自重与上覆土层重量等参数可以根据地下结构4的现场的勘察等进行确定。
32.步骤a-步骤g给出了后扩张囊袋1顶升位移的理论计算公式及设计依据，当已知地下结构4埋深、自重与上覆土层重量及沉降位移等参数时，根据上式可得出材料b的充注量，实现了地下结构4顶升治理工艺的定量化应用，为地下结构沉降变形病害处理提供了理论技术支撑。
33.本实施例中提出的地下结构变形缝沉降变形病害顶升治理工艺，对修复治理进行定量化描述，是一种预置性治理地下结构沉降位移方法，可有效弥补现有技术存在的不足，为地下结构健康运维提供了成套理论与技术支撑。该工艺采用充注材料可控治理地下结构沉降，实现地下结构全周期的有效防控，实现沉降修复治理参数定量化设计与实施，为地下结构沉降病害提供一种理论与技术参照。
34.以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：

1.一种基于后扩张囊袋的地下结构沉降变形病害修复工艺，其特征是，包括以下步骤：待地下结构基坑开挖完毕后，在预测沉降变形病害部位的基坑坑底铺设内部含有材料a的后扩张囊袋，并铺设充注管路与后扩张囊袋连通；在后扩张囊袋上方进行地下结构主体施作及周边土体回填工作；待土体回填施作完毕后，对预测沉降变形病害部位进行沉降变形监测，获取沉降变形值，将沉降变形值与设定沉降值进行对比，评判是否需进行修复治理；需进行修复治理时，定量确定所需充注材料b的用量；利用充注管路对后扩张囊袋定量充注材料b，充注过程中材料a和材料b混合后发生膨胀，使需修复治理部位地下结构主体向上产生顶升位移，实现地下结构沉降变形病害的定量修复治理。2.如权利要求1所述的基于后扩张囊袋的地下结构沉降变形病害修复工艺，其特征是，所述后扩张囊袋具有隔水性，以避免后扩张囊袋内材料a与周围地下水产生接触反应。3.如权利要求1所述的基于后扩张囊袋的地下结构沉降变形病害修复工艺，其特征是，充注材料b的用量的确定方法为：根据地下结构产生的沉降变形值、地下结构自重及地下结构埋深，由室内加载试验定量确定后扩张囊袋后充注材料b的充注用量函数表达式，而后确定材料b的实际充注用量。4.如权利要求3所述的基于后扩张囊袋的地下结构沉降变形病害修复工艺，其特征是，室内加载试验中，将含有材料a的后扩张囊袋置于室内压力试验机中，使后扩张囊袋在四周位移约束条件下由顶部进行加载。5.如权利要求4所述的基于后扩张囊袋的地下结构沉降变形病害修复工艺，其特征是，加载中，在相应某一加载压力p
i
保持恒定状态下，向后扩张囊袋内定量充注材料b，并监测与加载压力p
i
、材料b充注用量w
j
对应的后扩张囊袋顶升位移量u
j
，i、j为起值为1的连续正整数；得到与某一加载压力状态对应的材料b充注用量w
j
与顶升位移u
j
之间拟合函数表达式及对应函数变化速率k
pi
：。6.如权利要求5所述的基于后扩张囊袋的地下结构沉降变形病害修复工艺，其特征是，根据多个加载压力状态对应的函数变化速率值，利用数学函数拟合得到加载压力p
i
与函数变化速率k
pi
之间的拟合函数表达式：。7.如权利要求6所述的基于后扩张囊袋的地下结构沉降变形病害修复工艺，其特征是，建立某一加载压力状态所需充注材料b用量w
j
函数表达式：。8.如权利要求5所述的基于后扩张囊袋的地下结构沉降变形病害修复工艺，其特征是，加载时，通过设置系列加载压力p
i
，并保证在恒加载压力状态下，向后扩张囊袋内定量充注材料b；在充注过程中，监测后扩张囊袋顶升位移变化，并待位移稳定后，记录与加载压力p
i
、材料b充注用量w
j
对应得顶升位移量u
j
。9.如权利要求6所述的基于后扩张囊袋的地下结构沉降变形病害修复工艺，其特征是，
材料b充注用量w
j
与顶升位移u
j
之间拟合函数表达式的得出过程为：绘制得到不同加载压力p
i
状态下的材料b充注用量w
j
与顶升位移u
j
的数据散点图；根据最小二乘法原理，利用线性函数对数据散点图进行拟合，得到与某一加载压力状态对应的材料b充注用量w
j
与顶升位移u
j
之间拟合函数表达式及对应函数变化速率k
pi
：。10.如权利要求7所述的基于后扩张囊袋的地下结构沉降变形病害修复工艺，其特征是，根据需修复治理部位地下结构埋深、自重与上覆土层重量，确定现场后扩张囊袋上部总覆重压力，并结合需修复治理部位沉降变形值，将其代入充注材料b用量函数表达式中，计算即可确定所需材料b的实际充注用量为：。

技术总结

本发明公开了一种基于后扩张囊袋的地下结构沉降变形病害修复工艺，属于地下结构病害防控技术领域，包括以下步骤：在预测沉降变形病害部位铺设含材料A的后扩张囊袋；进行地下结构主体施作及周边土体回填工作；对预测沉降变形病害部位进行沉降变形监测，获取沉降变形值，将沉降变形值与设定沉降值进行对比，评判是否需进行修复治理；需进行修复治理时，定量确定充注材料B的用量；对后扩张囊袋充注材料B，材料A和材料B混合后发生膨胀，使需修复治理部位地下结构主体向上产生顶升位移，实现地下结构沉降变形病害的定量修复治理，解决了现有地下结构沉降变形病害处理方式被动滞后不及时、缺乏有效理论依据、难以对病害部位科学防控治理的问题。控治理的问题。控治理的问题。